第二篇 固體激光器-第一講

1、哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 1第第1章章固體激光器的基本原理與特性固體激光器的基本原理與特性固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 21.1 引言引言694.3nm紅光紅光固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 31.1 引言引言u(píng) 固體激光器應(yīng)用：固體激光器應(yīng)用： u 固體激光器主要特點(diǎn)：固體激光器主要特點(diǎn)：固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 41.2 固體激光器的基本特性固體激光器的基本特性 固體激光器的基本組

2、成：固體激光器的基本組成：1. 激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)2. 泵浦源泵浦源3. 聚光腔聚光腔4. 諧振腔諧振腔5. 冷卻與濾光冷卻與濾光固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 51.2 固體激光器的基本特性固體激光器的基本特性固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 61.2 固體激光器的基本特性固體激光器的基本特性 熒光量子效率熒光量子效率012 亞穩(wěn)態(tài)發(fā)射的熒光光子數(shù)量子效率工作物質(zhì)從光泵吸收的光子數(shù)1：泵浦能級(jí)向激光上能級(jí)無輻射躍遷的概率2：激光上能級(jí)的粒子通過自發(fā)輻射或受激輻射躍遷至激光下能級(jí)的概

3、率A21 B12 B21E2S32E1W13E3a) 三能級(jí)A31A21 B12 B21E2S32E1W03E3E0b) 四能級(jí)A30A31固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 73213231SSA三能級(jí)=+1.2 固體激光器的基本特性固體激光器的基本特性321323031SSAA四能級(jí)=+2122121AASA21 B12 B21E2S32E1W03E3E0b) 四能級(jí)A21 B12 B21E2S32E1W13E3a) 三能級(jí)A31A30A31固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 81.2 固體

4、激光器的基本特性固體激光器的基本特性lpvv,lp激光頻率泵浦光頻率固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 91.2 固體激光器的基本特性固體激光器的基本特性 激光器的輸出特性激光器的輸出特性激光器的輸出功率（能量）激光器的輸出功率（能量）激光器的效率激光器的效率固體激光器的閾值固體激光器的閾值()2121inthlcabpTPPPT outoutl：發(fā)光效率：發(fā)光效率 c：聚光器效率：聚光器效率 ab：吸收效率：吸收效率 v21：激光振蕩頻率：激光振蕩頻率 vp：泵浦光頻率：泵浦光頻率 T：輸出鏡透過率：輸出鏡透過率 ：工作物質(zhì)的內(nèi)部損耗率：工作

5、物質(zhì)的內(nèi)部損耗率 (ln)21211112ththgnlR21：受激發(fā)射截面：受激發(fā)射截面 ：工作物質(zhì)的損耗系數(shù)：工作物質(zhì)的損耗系數(shù) l：工作物質(zhì)的長(zhǎng)度：工作物質(zhì)的長(zhǎng)度 R：輸出鏡的反射率：輸出鏡的反射率 固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 101.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 111.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 121.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)固 體 激 光 器哈工大光電

6、子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 131.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)1. 稀土離子稀土離子固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 141.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 151.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)二、基質(zhì)材料（為激活離子提供合適的配位場(chǎng)）：二、基質(zhì)材料（為激活離子提供合適的配位場(chǎng)）：適合作為激光離子的基質(zhì)晶體的選擇原則：適合作為激光離子的基質(zhì)晶體的選擇原則：固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系P

7、age: 161.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)晶體：晶體：1.藍(lán)寶石（Al2O3）質(zhì)硬，導(dǎo)熱率高Al容易被過渡金屬離子取代，Al相對(duì)稀土離子較小，不可能得到高摻雜濃度。以紅寶石（Cr:Al2O3)，和鈦寶石(Ti:Al2O3)為代表。2.石榴石（YAG）性能穩(wěn)定，質(zhì)硬，熱導(dǎo)率高光學(xué)各向同性有釔鋁石榴石Y3Al5O12(YAG)，釓鎵石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和釓鈧鋁石榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。Nd3:YAG，閾值低，增益高，處于固體激光材料壟斷地位。YAG中也可摻鉺Er3，銩Tm3，鈥Ho3和鐿Yb3。同時(shí)摻Cr3的Nd:GSGG，可顯著提高對(duì)閃光燈的輻射。固 體 激

8、光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 171.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 181.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)玻璃：玻璃：1）易于制備?？色@得高透光性、光學(xué)均勻、大尺寸的激光工作）易于制備?？色@得高透光性、光學(xué)均勻、大尺寸的激光工作物質(zhì)，成本較低，是大功率和高能量激光的主要材料。物質(zhì)，成本較低，是大功率和高能量激光的主要材料。2）基質(zhì)玻璃的成分易于改變，可加入各種激活粒子，摻雜濃度）基質(zhì)玻璃的成分易于改變，可加入各種激活粒子，摻雜濃度亦可提高，可發(fā)展各種特性的激光玻璃。亦可

9、提高，可發(fā)展各種特性的激光玻璃。3）易于加工和成型?？芍瞥砂魻?、板條狀、片狀，較晶體易于）易于加工和成型?？芍瞥砂魻?、板條狀、片狀，較晶體易于加工，適應(yīng)于各種器件結(jié)構(gòu)。加工，適應(yīng)于各種器件結(jié)構(gòu)。常用的是硅酸鹽和磷酸鹽玻璃。常用的是硅酸鹽和磷酸鹽玻璃。固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 191.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì) 摻雜濃度摻雜濃度 在基質(zhì)中摻入激活離子稱為摻雜。摻雜濃度不同，工作物質(zhì)在基質(zhì)中摻入激活離子稱為摻雜。摻雜濃度不同，工作物質(zhì)的運(yùn)行特性也不同。的運(yùn)行特性也不同。 摻雜濃度高，吸收高，激光器的效率高；摻雜濃度高，吸收高，激光器的效

10、率高； 摻雜濃度過高，激光器效率反而下降，甚至出現(xiàn)濃度猝滅。摻雜濃度過高，激光器效率反而下降，甚至出現(xiàn)濃度猝滅。 因此，存在一最佳摻雜濃度。因此，存在一最佳摻雜濃度。固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 201.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)工作物質(zhì)的劣化與破壞工作物質(zhì)的劣化與破壞固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 211.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)幾種典型的激光工作物質(zhì)幾種典型的激光工作物質(zhì) 紅寶石紅寶石在藍(lán)寶石中摻入少量在藍(lán)寶石中摻入少量Cr2O3，Cr3+取代部分取代部分Al3+固 體 激

11、光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 221.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)Cr3+的吸收光譜的吸收光譜吸收譜線：吸收譜線：410nm，550nm發(fā)射譜線：發(fā)射譜線：694.3nm，692.9nm固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 231.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)紅寶石晶體的優(yōu)缺點(diǎn)：紅寶石晶體的優(yōu)缺點(diǎn)：固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 241.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)Nd：YAG固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系

12、Page: 251.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)Nd3+:為激活離子為激活離子激光波長(zhǎng)：激光波長(zhǎng)：4F3/24I9/2：914nm4F3/24I11/2：1064nm4F3/24I13/2：1342nm固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 261.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)0.81m0.75m0.58m固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 271.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 281.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)釹

13、玻璃釹玻璃 某種型號(hào)的玻璃摻入某種型號(hào)的玻璃摻入Nd2O3制成。制成。中心波長(zhǎng)：0.92um，1.06um，1.37um固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 291.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)紅寶石紅寶石Nd:YAGNd:Glass摻雜濃度摻雜濃度1.58E19(cm-3)1.38E20(cm-3)3E20(cm-3)受激輻射截面受激輻射截面2.5E-20(cm2)88E-20(cm2)3.0E-20(cm2)熒光峰值波長(zhǎng)熒光峰值波長(zhǎng)694.3nm1064nm1062.31062.4nm熒光壽命熒光壽命3.0ms230us0.60.9ms熱導(dǎo)率

14、熱導(dǎo)率0.4210-6/K0.1310-6/K0.01210-6/K譜線線寬譜線線寬11(cm-1)5.3(埃埃)4.5(埃埃)250cm-1280.9(埃）埃）固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 301.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)A21 B12 B21E2S32W03E3A30A31固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 311.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)激光棒內(nèi)的溫度分布激光棒內(nèi)的溫度分布在熱平衡狀態(tài)下，在熱平衡狀態(tài)下， 忽略冷卻介質(zhì)沿軸向的微小溫度變化忽略冷卻介質(zhì)沿軸向的微

15、小溫度變化 認(rèn)為熱流主要沿棒的徑向傳導(dǎo)認(rèn)為熱流主要沿棒的徑向傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)方程：熱傳導(dǎo)方程：2210d TdTQdrr drKT溫度，Q單位體積內(nèi)發(fā)熱功率，r棒橫截面內(nèi)任一半徑大小，K熱導(dǎo)率。rr0固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 321.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 331.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng) 激光棒中的熱應(yīng)力激光棒中的熱應(yīng)力力力應(yīng)應(yīng)力力：面面積積ll應(yīng)應(yīng)變變：E虎虎克克定定律律：橫橫向向應(yīng)應(yīng)變變泊泊松松比比：縱縱向向應(yīng)應(yīng)變變ll T熱

16、膨脹線膨脹系數(shù)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 341.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)假設(shè)具有自由端的各向同性的激光棒，無其它外來作用時(shí)，假設(shè)具有自由端的各向同性的激光棒，無其它外來作用時(shí)，依據(jù)前述溫度分布和熱彈理論的結(jié)論，應(yīng)力可用下式表示：依據(jù)前述溫度分布和熱彈理論的結(jié)論，應(yīng)力可用下式表示：00220002200020011( )( )111( )( )( )12( )( )1rrrrrrzET r rdrT r rdr rrET r rdrT r rdrT r rrET r rdrT r r徑向：徑向：切向：切向：軸向：軸向：固 體

17、 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 351.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 361.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng) 激光棒的熱應(yīng)力雙折射激光棒的熱應(yīng)力雙折射 激光棒的熱透鏡效應(yīng)激光棒的熱透鏡效應(yīng)( )(0) ( ) ( )Tn rnn rn r溫度差引起的溫度差引起的折射率變化折射率變化熱應(yīng)力引起的熱應(yīng)力引起的折射率變化折射率變化固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 371.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效

18、應(yīng)232220,1( )(0)(0)1422 (0)r nQ dnQn rnrnCrnrK dTKn固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 381.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)熱效應(yīng)的消除和補(bǔ)償熱效應(yīng)的消除和補(bǔ)償 冷卻冷卻 光學(xué)補(bǔ)償光學(xué)補(bǔ)償 非圓柱工作物質(zhì)非圓柱工作物質(zhì)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 39 冷卻冷卻 液體冷卻液體冷卻, 氣體冷卻氣體冷卻, 傳導(dǎo)冷卻傳導(dǎo)冷卻1.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Pa

19、ge: 401.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 411.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 421.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng) 光學(xué)補(bǔ)償光學(xué)補(bǔ)償固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 431.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)采用非圓柱工作物質(zhì)采用非圓柱工作物質(zhì)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 441.4 工作物

20、質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng) 盤狀激光器盤狀激光器 激光工作物質(zhì)為圓片，增大了散熱面積，使熱能朝光傳播方向激光工作物質(zhì)為圓片，增大了散熱面積，使熱能朝光傳播方向流動(dòng)，大大減輕了熱效應(yīng)流動(dòng)，大大減輕了熱效應(yīng)。固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 451.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 461.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)Diode laserDiode laserNd:YLF LasercrystalCylinder lensLaserbeamPumpbeam 板條激光器板條激光器 固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 471.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)固 體 激 光 器哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系哈工大光電子信息科學(xué)與技術(shù)系Page: 481.4 工作物質(zhì)的熱效應(yīng)工作物質(zhì)的熱效應(yīng)二極管泵浦的固體激光器二極管泵浦的固體激光器 泵浦波長(zhǎng)與吸收波長(zhǎng)的匹配泵浦波長(zhǎng)與吸收波長(zhǎng)的匹配